2025年大学《资源化学》专业题库- 离子液体在化学工程中的应用

2025年大学《资源化学》专业题库——离子液体在化学工程中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪一项不是离子液体通常具备的特性？A.低熔点B.高蒸气压C.宽电化学窗口D.对多种有机物具有良好的溶解性2.根据离子液体的阳离子组成，哪一类离子液体通常具有较低的粘度？A.烃基金属离子液体B.酰胺类离子液体C.烷基吡啶类离子液体D.磷酸酯类离子液体3.在萃取分离过程中，离子液体作为萃取剂的主要优势之一是？A.成本极低B.可与传统有机溶剂无限混溶C.具有高选择性，尤其对金属离子D.易于通过简单蒸馏回收4.将离子液体用于催化反应，其主要目的之一是？A.提高催化剂的载量B.增大反应接触面积C.改变反应机理，提高目标产物选择性D.降低反应活化能5.下列哪种方法不属于离子液体的绿色化发展方向？A.开发可生物降解的离子液体B.利用可再生生物质资源合成离子液体C.提高离子液体循环使用次数D.使用高毒性试剂合成特定离子液体6.在化学工程中，离子液体应用于超临界流体萃取（SFE）的主要挑战是？A.超临界CO2与离子液体的混溶性差B.离子液体的高粘度导致传质阻力增大C.离子液体通常对目标物质的溶解能力较弱D.离子液体难以通过简单压缩回收7.作为催化剂或催化剂载体，离子液体可能呈现出的形态是？A.仅气体B.仅固体C.仅液体D.气体、液体或固体，取决于具体离子液体8.离子液体在储能装置（如电池）中应用的关键优势在于？A.极高的能量密度B.极低的内阻C.超高的循环寿命D.极宽的操作温度范围9.资源化学专业学生关注离子液体在稀有金属提取中的应用，主要是看其能否？A.降低传统火法炼金的能耗B.实现对低浓度、复杂体系中共存金属的高效分离C.直接从矿石中冶炼出纯金属D.替代所有传统的化学浸出剂10.评价一种离子液体在化学工程应用中的综合性能时，需要考虑的因素不包括？A.物理化学性质（如粘度、密度、溶解度）B.环境友好性（毒性、降解性）C.经济成本（合成成本、回收成本）D.对特定反应机理的理论解释二、填空题（每空1分，共15分）1.离子液体通常由__阳离子__和__阴离子__构成，其性质可以通过调节这两部分结构来__设计__。2.离子液体在萃取分离中表现出高选择性的主要原因在于其离子间强烈的__相互作用__，以及与被萃取物之间可能形成的__离子对__或__配位络合物__。3.某些离子液体由于其特殊的__配位环境__和可设计性，可以作为__均相催化剂__或__多相催化剂载体__。4.影响离子液体粘度的主要因素包括离子尺寸、离子电荷、__氢键__以及温度等。5.为了实现离子液体的可持续应用，研究开发__可再生资源__基的离子液体以及高效的__回收技术__至关重要。6.在连续流动化学中，离子液体作为反应介质可以带来易于控制反应条件、提高反应效率以及简化产物分离等优势。7.离子液体在材料科学领域的应用实例包括利用其作为前驱体或溶剂制备__多孔材料__（如MOFs）和__电极材料__。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述离子液体与传统有机溶剂相比，在化学工程应用中主要的环境友好性优势。2.解释为什么离子液体在萃取金属离子方面通常比传统有机溶剂具有更高的选择性。3.离子液体的粘度对其作为反应介质或分离介质有何主要影响？4.简述离子液体在化学工程领域面临的的主要挑战（至少列出两点）。四、论述题（每题10分，共20分）1.论述离子液体作为反应介质在化学工程中的潜在优势，并结合一个具体的化学反应实例说明。2.结合资源化学专业的特点，论述离子液体技术在推动资源高效利用和环境友好化方面可能发挥的作用。五、综合应用题（15分）背景：某化工过程需要从含有Ni(II)和Co(II)的混合水溶液中选择性萃取分离Ni(II)。现有研究提出使用一种基于[BMIm]Cl（1-丁基-3-甲基咪唑氯盐）的离子液体体系，并通过加入一定浓度的HCl来调节离子液体与水相的界面性质，实现选择性萃取。问题：（1）简要分析HCl的加入可能影响Ni(II)和Co(II)在该离子液体中萃取行为的主要机理。（2）从化学工程过程设计的角度，评价该离子液体萃取分离方法相比传统有机溶剂萃取方法的潜在优点和需要考虑的问题。（3）如果要设计一个基于该离子液体体系的连续流萃取过程，需要考虑的关键工程参数有哪些？试卷答案一、选择题1.B解析：离子液体通常具有非常低的蒸气压，而非高蒸气压。2.C解析：烷基链长的增加通常导致粘度增加，而烷基吡啶类离子液体相对分子量适中，粘度通常低于烃基金属离子液体、酰胺类和磷酸酯类。3.C解析：离子液体对多种有机物和金属离子具有优异的溶解性，这是其作为萃取剂的核心优势，尤其体现在对目标物的高选择性分离上。4.C解析：离子液体可以稳定催化活性物种，或与催化剂形成络合物，从而改变反应路径，提高目标产物的选择性。5.D解析：使用高毒性试剂违背了绿色化学的原则，不属于离子液体绿色化发展方向。6.B解析：离子液体的高粘度会阻碍溶质在液相内的传质，增加传质阻力，这是其在SFE等分离过程中应用的主要挑战之一。7.D解析：离子液体可以是纯液体，也可以通过控制组成形成液体混合物，有时甚至可以通过溶剂化形成胶体或包含物，呈现不同相态，但题目问的是作为催化剂或载体，气体形态基本不可能，固体形态可以是纯离子液体或其负载物，液体形态最为常见，因此选D涵盖更广。8.B解析：离子液体通常具有较低的粘度和较高的电化学窗口，这使得它们可以用作电池电解液，其优势在于较低的阻抗（内阻），有利于电荷传输。9.B解析：资源化学专业关注离子液体在稀有金属提取中的应用，主要是利用其高选择性分离不同金属离子的能力，尤其是在复杂体系中提取低浓度目标金属。10.D解析：评价离子液体应用性能需考虑物理化学性质、环境友好性、经济成本、操作稳定性等工程实际因素，而对其理论机理的解释属于基础研究范畴，非综合性能评价的直接内容。二、填空题1.阳离子,阴离子,设计解析：离子液体的构成和可设计性是其核心特点。2.相互作用,离子对,配位络合物解析：离子间强相互作用及与目标物形成稳定配位体是高选择性的关键。3.配位环境,可设计性,均相催化剂解析：离子液体独特的配位位点和结构可调性使其能稳定活性中心或作为载体。4.氢键解析：氢键是影响离子液体粘度的重要作用力之一，尤其对于含氢键的离子液体。5.可再生资源,回收技术解析：这是实现离子液体可持续应用的两个关键方向。6.易于控制反应条件,提高反应效率,简化产物分离解析：流动化学的优势在离子液体体系中尤为突出。7.多孔材料,电极材料解析：这是离子液体在材料领域最典型的应用方向。三、简答题1.简述离子液体与传统有机溶剂相比，在化学工程应用中主要的环境友好性优势。解析：离子液体通常具有低蒸气压，不易挥发到大气中造成污染；很多离子液体在常温常压下为液体，减少了高压气相储存和运输的需求及风险；其环境降解性通常较好（尽管部分仍需关注），且通常不形成持久性有机污染物（POPs）；在许多应用中可回收循环使用，减少了溶剂的持续消耗和废物产生。2.解释为什么离子液体在萃取金属离子方面通常比传统有机溶剂具有更高的选择性。解析：离子液体对金属离子的萃取选择性主要源于其离子间强大的静电相互作用和配位能力。离子液体中的阴离子通常具有孤对电子或空轨道，可以与金属离子形成稳定的配位络合物；同时，离子液体阳离子的空间位阻和电子效应也会影响其对特定金属离子的结合能力。这种离子特异性的相互作用使得离子液体能够优先萃取目标金属离子，即使在存在其他共存离子的情况下也能实现有效分离。3.离子液体的粘度对其作为反应介质或分离介质有何主要影响？解析：离子液体的粘度会显著影响传质过程。高粘度会增加反应物在液相内的扩散阻力，降低反应速率，尤其在多相催化或传质受限的反应体系中；同时，高粘度也会增加搅拌能耗，影响混合效率，并在分离过程中（如萃取、膜分离）增加流体流动的阻力，降低分离效率，增加设备能耗。因此，粘度是评价离子液体应用性能的重要参数之一。4.简述离子液体在化学工程领域面临的的主要挑战（至少列出两点）。解析：主要挑战包括：（1）成本问题：离子液体的合成成本通常较高，虽然可以通过回收降低，但初始投入和回收过程的技术要求仍是障碍；（2）环境与安全：部分离子液体仍具有一定的毒性或环境持久性，其长期环境影响有待深入研究，且部分离子液体具有腐蚀性，操作和使用存在安全风险；（3）物理性质限制：如高粘度、宽温度敏感性（导致相变）、以及对某些反应可能存在的催化活性或选择性不利影响等。四、论述题1.论述离子液体作为反应介质在化学工程中的潜在优势，并结合一个具体的化学反应实例说明。解析：离子液体作为反应介质具有显著优势。首先，其可设计性允许选择特定离子对以优化反应物的溶解度，提高反应物浓度，从而加速反应速率。其次，离子液体的高热稳定性和宽电化学窗口使其适用于需要高温或强氧化/还原条件的反应，且在电化学催化中表现出色。第三，其独特的配位环境可以稳定活性中心或参与催化循环，提高催化效率或选择性。第四，离子液体通常具有良好的溶剂回收性，便于实现过程绿色化和产品纯化。例如，在不对称催化氢化反应中，可以使用手性离子液体作为介质，它不仅能溶解底物和手性催化剂，还能通过与底物或催化剂形成特定相互作用，提高反应的选择性（区域选择性或对映选择性），并且反应后可以通过简单的相分离或蒸馏回收手性离子液体，催化剂也可被回收重复使用，实现高效绿色的催化过程。2.结合资源化学专业的特点，论述离子液体技术在推动资源高效利用和环境友好化方面可能发挥的作用。解析：离子液体技术在资源化学领域具有巨大潜力，能有效推动资源高效利用和环境友好化。在稀有金属提取与分离方面，离子液体凭借其高选择性，能够从低品位矿石、电子废弃物或工业废水中高效、选择性地萃取和分离目标金属，弥补传统方法在复杂体系分离上的不足，提高资源回收率。在资源转化与利用方面，如CO2转化制高附加值化学品，离子液体可作为高效反应介质或催化剂载体，提高反应活性和选择性，促进碳资源的高效利用。在废弃物资源化方面，离子液体可用于废旧电池材料的回收、持久性有机污染物的去除等，实现环境友好处理。此外，离子液体技术有助于开发更绿色的冶金过程，替代传统高温、高能耗、高污染的工艺，促进整个资源化学领域向绿色、低碳、可持续方向发展。五、综合应用题（1）简要分析HCl的加入可能影响Ni(II)和Co(II)在该离子液体中萃取行为的主要机理。解析：加入HCl会显著改变水相的pH值，降低pH值会促进Ni(II)和Co(II)形成氢氧化物沉淀，但萃取通常依赖金属离子保持溶解状态。更重要的是，HCl提供的Cl-离子会与Ni(II)/Co(II)在离子液体界面处发生竞争吸附或与离子液体中的阳离子形成配位物，改变界面性质。同时，H+的加入可能影响金属离子在两相间的分配平衡，例如可能通过影响金属离子在离子液体中的配位状态（如形成MCl2+等阳离子），或者影响离子液体阴离子（如Cl-）的溶解度或界面行为，从而影响萃取选择性。具体机理取决于离子液体的具体组成和体系条件。（2）从化学工程过程设计的角度，评价该离子液体萃取分离方法相比传统有机溶剂萃取方法的潜在优点和需要考虑的问题。解析：潜在优点：①高选择性：离子液体可能对Ni(II)和Co(II)具有比传统有机溶剂（如D2EHPA、Cyanex272等）更高的选择性，尤其是在存在其他干扰离子时。②易于分离：由于离子液体通常不与水相混溶，且密度通常大于水，萃取后可通过简单的相分离（如沉降、离心）实现两相分离，操作相对简单。③可设计性：可以通过改变离子液体组成来优化选择性，甚至实现Co(II)与Ni(II)的完全分离。④环境友好性潜力：相比含有长链烃基的传统有机溶剂，离子液体通常具有低挥发性，减少挥发损失和大气污染；且易于回收。需要考虑的问题：①成本：离子液体的合成和潜在的再生成本可能高于传统有机溶剂。②粘度：离子液体的高粘度可能导致传质速率较慢，需要更高的能量输入用于混合和泵送。③稳定性：需评估离子液体在长期循环操作中的化学稳定性和相稳定性。④安全性：需考虑离子液体本身的毒性、腐蚀性以及对设备材料的兼容性。⑤回收效率：萃取剂（离子液体）的循环效率和再生效果直接影响过程的经济性。（3）如果要设计一个基于该离子液体体系的连续流萃取过程，需要考虑的关键工程参数有哪些？解析：需要考虑的关键工程参数包括：①流量比（有机相流量/水相